自噬與2型糖尿病胰島β細胞增殖及凋亡

?

自噬與2型糖尿病胰島β細胞增殖及凋亡

孫穎魏聰1，2，3劉紅利1郎艷松1，4常成成1

(南京中醫藥大學，江蘇南京210000)

〔關鍵詞〕自噬；胰島β細胞增殖凋亡

1河北以嶺醫藥研究院

2國家中醫藥管理局重點研究室(心腦血管絡病)

3河北省絡病重點實驗室4河北醫科大學

第一作者：孫穎(1987-)，女，在讀博士，主要從事中醫臨床基礎研究。

自噬與細胞的生存與死亡密切相關〔1〕。研究發現，自噬在維持胰島β細胞活性及數量中具有重要作用。在一定氧化應激水平下，自噬可以減少胰島β細胞凋亡、保證其正常增殖。有研究顯示，當環境極度惡劣時，超出自噬的調控能力，自噬和凋亡將同時出現于細胞中。因此，闡述自噬在2型糖尿病(T2DM)中的作用，尤其是對胰島β細胞生存的影響尤為重要。

1自噬

自噬是一個將自身細胞質內受損蛋白或受損細胞器包被進入囊泡，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物的過程，降解的細胞內成分可以提供營養或原料供給細胞循環再利用，以實現細胞的代謝需要和細胞器的更新〔2〕。

自噬的調控因素主要有雷帕霉素受體(mTOR)通路、磷酸肌醇等。 mTOR是哺乳動物細胞內 ATP的感受器，是自噬的一個關鍵的負調節因子。若mTOR 激酶活性被抑制從而促進自噬，是細胞自噬調節極為重要的信號通路。mTOR上下游信號途徑比較復雜，目前調節自噬的具體機制還未闡明。現已證實的有以下調控因子：單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)激活后，可以通過抑制 mTOR 通路進而起到促進自噬的作用；磷酸磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)通路也可對mTOR進行正向調控〔3，4〕。此外，Ⅲ型磷酸磷脂酰肌醇激酶(ClassⅢ PI3K)的產物多磷酸肌醇(PIP)、酵母自噬基因Atg6同系物(Beclin1)可以激活自噬，而I P I3K的產物磷脂酰肌醇3磷酸(PI3P)、B淋巴細胞瘤-2(Bcl-2)則對自噬存在抑制作用。其他的一些調控因素如酪氨酸激酶受體(PTKS)和酪蛋白激酶Ⅱ(CK-Ⅱ)也同樣起到了調節自噬的作用〔5〕。

2自噬與細胞凋亡、增殖

輕微應激狀態如缺氧、營養匱乏時，細胞可通過自噬獲得可供循環利用的核苷、氨基酸等大分子物質及能量，以維持細胞代謝平衡；又可選擇性清除某些細胞成分，尤其是受損或多余的蛋白質、內質網、線粒體等，以減少異常蛋白和細胞器的堆積，維持細胞內環境的穩定。在一定范圍內損傷性刺激下，線粒體腫脹、滲透性轉運通道開放并且釋放出凋亡因子，此時功能受損的線粒體尚可以通過激活的自噬而被清除，從而避免凋亡因子釋放引起凋亡發生，因此，自噬作為一種保護性機制可以保護細胞免受于凋亡和壞死，利于細胞存活。因此促凋亡因素激活凋亡程序時，細胞質內同時也會出現數量增多的自噬體〔6〕。有研究認為自噬引起了細胞死亡，但有學者研究發現，通常壞死細胞內有很多自噬體，這種現象并非自噬引起死亡，而是死亡伴隨自噬。這兩者在形態學上兩者無明顯區別，但可通過阻斷自噬繼而觀察細胞的結局可區分開來〔7〕。

自噬可以為細胞清除受損的細胞器及蛋白質，從而使細胞DNA避免因應激條件而造成損傷，保證了遺傳的穩定性，減少了細胞惡變的發生。所以，自噬既可以抑制細胞的凋亡，又能保證細胞正常增殖，抑制自噬可能會導致細胞的癌變而發生惡性增殖〔8〕，所以，自噬作為細胞的自我修復機制參與細胞增殖與新生的過程〔9，10〕。

3自噬與胰島β細胞

3.1不同損傷環境下胰島β細胞自噬水平不同T2DM時機體可發生氧化應激損傷、營養因子匱乏等病理生理改變，自噬水平根據環境不同而被代償性激活或被抑制。動物研究顯示，高脂飲食喂養的大鼠模型較正常飲食喂養的大鼠自噬水平增加，T2DM模型db/db小鼠胰島β細胞中自噬體數量有所增加，均提示自噬代償性激活以減輕胰島β細胞的氧化應激。細胞研究顯示，細胞胰島INS-1細胞經長鏈自由脂肪酸培養后LC3-Ⅱ表達增多，提示高脂環境下自噬相關蛋白代償性增加〔11～13〕。自噬激活途徑可能與糖脂等毒性激活AMPK活性、下調mTOR及其下游p70核糖體蛋白質S6激酶(p70S6K)和4E結合蛋白1(4E-BP1)磷酸化，從而上調節LC3-Ⅱ表達有關。另有研究報道，高糖相關氧化應激損傷可能通過上調c-Jun 氨基端激酶(JNK)途徑誘導自噬。JNK通路的激活與P38蛋白激酶(p38MAPK)有關，p38MAPK通過影響活性氧簇(ROS)及JNK，進而參與自噬調節〔14～16〕。另有學者發現，T2DM患者胰島β細胞自噬相關蛋白Beclin-1和Atg7沒有改變而溶酶體相關膜蛋白2(LAMP2)表達有所降低〔17〕；據報道，在與衰老相關的T2DM中，自噬水平隨著年齡增加而減少，可能與線粒體ROS的產生加劇線粒體功能損傷及消除有關〔18〕。

T2DM中自噬的不同變化情況的原因之一可能是過多的營養成分和胰島素能抑制自噬，而氧化應激反應則可使得自噬激活，T2DM過程中，營養物質、胰島素及氧化應激同時存在，共同調節自噬。糖尿病前期多伴有肥胖，過多的營養素和胰島素能抑制自噬，后期因胰島素缺乏，氧化應激增強等原因自噬增強，但也有患者因蛋白質降解增加，導致血中氨基酸增加，從而通過激活mTOR途徑抑制自噬〔19〕。

3.2自噬對胰島β細胞凋亡、增殖的影響T2DM患者的胰島素分泌量下降、胰島β細胞數量減少，這與胰島β細胞增殖過程受損和凋亡增加有密切關系。基礎自噬的缺失使胰島β細胞損傷加重，敲除小鼠胰島β細胞內自噬相關蛋白 Atg7后，發現小鼠出現糖耐量低減，血清胰島素水平下降而且 β細胞凋亡增多、增殖減少〔20〕，這提示自噬對于維持細胞數量及活性具有重要作用。高脂飲食干預后，正常對照組大鼠胰島細胞區域擴大了2倍，但自噬基因敲除鼠的胰島細胞卻沒有出現增殖，而且自噬基因敲除后會造成胰島素分泌異常及糖耐量降低，也與缺少胰島β細胞代償性增殖有關〔12〕，這提示自噬對于胰島β細胞增殖極為重要。

自噬增強時軟脂酸(PA)誘導胰島β細胞死亡減少，相反在自噬被抑制時，PA會誘導胰島β細胞死亡增加。自噬可以保證在應激情況下胰島細胞代償性增生并減少其死亡，從而在維持胰島細胞數量上起到重要意義。

自噬維持胰島β細胞數量的機制主要有：控制T2D氧化損傷造成的胰島細胞炎癥過程，并可緩解氧化應激壓力〔21〕；減少胰島淀粉樣多肽(IAPP)引起的胰島細胞損傷，IAPP是與胰島素一起由胰島β細胞分泌的激素，IAPP抑制胰高血糖素的分泌，且與胰島素結合共同調控糖的代謝，T2DM中，胰淀素的大量分泌、胰淀素聚集形成淀粉樣的斑塊可加速胰島β細胞凋亡，在此過程中，自噬相關蛋白p62對于減少IAPP引起的細胞凋亡起重要作用〔22〕；另外，自噬可調控胰腺內分泌環境及胰島β細胞的分泌功能，調整胰島β細胞的生存環境及功能〔13〕。

4研究局限

自噬研究中的技術問題之一是缺乏方便和可靠的方法來檢測自噬。其次，在自噬小體的形成后抑制自噬的進展，反而會導致電鏡觀察下自噬小體數量的增加，而這一點對于區分穩態自噬水平和自噬活動很重要。再者，檢測穩態自噬水平可能對自噬的過程進行了封鎖，這些困難在動物模型上尤為顯著。因此，對自噬水平的檢測除了使用電鏡之外，還應結合使用自噬相關蛋白含量檢測及蛋白質降解實驗等方法〔2〕。

綜上所述，近年來，自噬在T2DM中的作用受到越來越多的重視。自噬作為多種藥物的作用靶點之一，對維持胰島β細胞數量及功能有著重要意義，噻唑烷二酮類藥物可通過5'-AMPK通路激活自噬以減少軟脂酸造成的胰島β細胞凋亡〔23，24〕，但仍存在一些問題，如應激環境下對胰島β細胞增殖、凋亡、自噬多個方面的調控作用涉及多個信號通路，尚不清楚哪一條通路起主要作用，或是多條通路起協同作用。但相信隨著對自噬檢測方式的進步及對不同環境下胰島β細胞的自噬水平及相關信號轉導通路等研究的不斷深入，調節自噬藥物的使用將為T2DM疾病的治療開辟新的領域。

5參考文獻

1Xie Z,Klionsky DJ.Autophagosome formation:core machinery and adaptations〔J〕.Nat Cell Biol,2007;9(10):1102-9.

2 Hur KY，Jung HS，Lee MS.Role of autophagy in β-cell function and mass〔J〕.Diabetes Obes Metab,2010;12(Suppl 2):20-6.

3Brech A,Ahlquist T,Lothe RA,etal.Autophagy in tumour suppression and promotion〔J〕.Mol Oncol,2009;3(4):366-75.

4Hoare M,Young AR,Narita M.Autophagy in cancer:having your cake and eating it〔J〕.Semin Cancer Biol,2011;21(6):397-404.

5Bogoyevitch MA,Ngoei KR,Zhao TT,etal.c-Jun N-terminal kinase(JNK)signaling:recent advances and challenges〔J〕.Biochim Biophys Acta,2010;1804(3):463-75.

6Elmore SP,Qian T,Grissom SF,etal.The mitochondrial permeability transition initiates autophagy in rat hepatocytes〔J〕.FASEB J,2001;15(12):2286-7.

7 Kroemer G,Levine B.Autophagic cell death:the story of a misnomer〔J〕.Nat Rev Mol Cell Biol,2008;9(12):1004-10.

8劉成益,許恩賜.自噬在細胞增殖和凋亡中的作用〔J〕.中國醫藥,2011;6(9):1151-2.

9Li M,Jiang X,Liu D,etal.Autophagy protects LNCaP cells under androgen deprivation conditions〔J〕.Autophagy,2007;4(1):54-60.

10劉慧慧,曹勇軍,張艷林,等.纖維蛋白誘導的自噬促進人臍靜脈內皮細胞增殖與血管腔樣結構形成〔J〕.江蘇醫藥,2011;37(16):1885-8.

11Lo MC,Lu CI,Chen MH,etal.Glycoxidative stress-induced mitophagy modulates mitochondrial fates〔J〕.Ann N Y Acad Sci,2010;1201(1):1-7.

12 Ebato C,Uchida T,Arakawa M,etal.Autophagy is important in islet homeostasis and compensatory increase of beta cell mass in response to high-fat diet〔J〕.Cell Metab,2008;8(4):325-32.

13Marsh BJ,Soden C,Alarcón C,etal.Regulated autophagy controls hormone content in secretory-deficient pancreatic endocrine β-cells〔J〕.Mol Endocrin,2007;21(9):2255-69.

14Wang Q,Liang B,Shirwany NA,etal.2-Deoxy-D-glucose treatment of endothelial cells induces autophagy by reactive oxygenspecies-mediated activation of the AMP-activated protein kinase〔J〕.PLoS One,2011;6(2):e17234.

15 Yan J,Feng Z,Liu J,etal.Enhanced autophagy plays a cardinal role in mitochondrial dysfunction in type 2 diabetic Goto-Kakizaki(GK)rats:ameliorating effects of(-)-epigallocatechin-3-gallate〔J〕.J Nutrit Biochem,2012;23(7):716-24.

16Kim MJ,Woo SJ,Yoon CH,etal.Involvement of autophagy in oncogenic K-Ras-induced malignant cell transformation〔J〕.J Biol Chem,2011;286(15):12924-32.

17Masini M,Bugliani M,Lupi R,etal.Autophagy in human type 2 diabetes pancreatic beta cells〔J〕.Diabetologia,2009;52(6):1083-6.

18Cavallini G,Donati A,Taddei M，etal.Evidence for selective mitochondrial autophagy and failure in aging〔J〕.Autophagy,2007;3(1):26-7.

19何夢婷,高麗輝,李玲.自噬與2型糖尿病相關性的研究進展〔J〕.國際藥學研究雜志,2014;41(3)：301-6.

20Jung HS,Chung KW,Won Kim J,etal.Loss of autophagy diminishes pancreatic β cell mass and function with resultant hyperglycemia〔J〕.Cell metabolism,2008;8(4):318-24.

21Wang Y,Li Y,Yin J,etal.Autophagy regulates inflammation following oxidative injury in diabetes〔J〕.Autophagy,2013;9(3):272-7.

22Rivera JF,Gurlo T,Daval M,etal.Human-IAPP disrupts the autophagy/lysosomal pathway in pancreatic β-cells:protective role of p62-positive cytoplasmic inclusions〔J〕.Cell Death Different,2011;18(3):415-26.

23 Wu J,Wu JJ,Yang L,etal.Rosiglitazone protects against palmitate-induced pancreatic beta-cell death by activation of autophagy via 5′-AMP-activated protein kinase modulation〔J〕.Endocrine,2013;44(1):87-98.

24 Yan J,Yang H,Wang G,etal.Autophagy augmented by troglitazone is independent of EGFR transactivation and correlated with AMP-activated protein kinase signaling〔J〕.Autophagy,2010;6(1):67-73.

〔2015-02-19修回〕

(編輯李相軍)

通訊作者：魏聰(1979-)，女，博士，主任醫師，主要從事絡病學研究。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(No.2012CB518606)

〔中圖分類號〕R-33

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2015)22-6598-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.138